Visite à la clinique Ambroise Paré (Neuilly)

Nous sommes allées à la clinique Ambroise Paré qui se situe à Neuilly-sur-Seine (92) afin de rencontrer un médecin radiologue spécialisé dans l’IRM qui nous a fait visiter le service. Ainsi nous avons pu entrer dans la salle des consoles et observer le déroulement de l’examen complet d’une IRM cérébrale. Par la suite, le médecin nous a expliqué quelques diagnostics sur des images obtenues préalablement (sur d’autres patients). A l’issue de cette séance, nous avons obtenu une image de diagnostic.

Connaissances apportées :

• organisation du service d’imagerie
• prise en charge des patients (comment sont gérés les patients souffrant de claustrophobie)
• déroulement de l’examen
• comment travaillent les médecins et les manipulateurs
• comment repérer une pathologie et poser les diagnostics (quelques exemples)

 

Clinique Ambroise Paré (Neuilly)

Visite au centre de recherche Neurospin

Nous avons eu la chance de visiter le centre Neurospin (CEA Saclay), une unité de recherche sur le cerveau qui utilise l’IRM et l’électroencéphalographie (pour les champs magnétiques très faibles). Elle étudie des pathologies telles que Parkinson ou Alzheimer ou encore les fonctions cognitives chez les enfants. Ce centre ne pose pas de diagnostic : il s’agit uniquement de recherche. Les sujets sont tous des volontaires, qu’ils aient une pathologie ou qu’ils soient des témoins (en bonne santé).

Nous avons rencontré les manipulatrices IRM qui nous ont expliqué le fonctionnement du service et qui nous ont présenté les locaux. Nous avons pu constater que ce service est très performant : en effet les IRM cliniques classiques ont un champ de 1,5 Tesla (soit 15.000 Gauss au centre de l’appareil), or les deux appareils IRM de Neuropsin sont de 3 et 7 Teslas. L’arrivée prévue d’un autre appareil de 11,7 Teslas serait une première mondiale. Nous prenons aussi connaissance des règles de sécurité essentielles : il existe une ligne des 5 Gauss matérialisée au sol au-delà de laquelle il est dangereux de se trouver si on porte un pacemaker ou un objet métallique ferromagnétique.

Nous posons également des questions sur le fonctionnement de l’IRM et nous abordons ainsi la notion de pondération T1 et T2, et quelle est leur utilité. Ainsi que le principe de canaux sur l’antenne réceptrice, l’utilité des bobines de gradient, comment les données sont traitées informatiquement pour créer une image. Nous apprenons aussi que le nombre de Teslas d’un appareil correspond à l’intensité la plus forte du champ magnétique, au niveau de l’isocentre. Ainsi, augmenter le champ permet d’augmenter la qualité de l’image.

IRM 3 Teslas de Neurospin

IRM 7 Teslas de Neurospin

Maquette de la future IRM 11,7 Teslas de Neurospin

 

 

 

Séances au LPMC sur la RMN, étude théorique & expériences

Nous avons pris contact avec Alain LOUIS-JOSEPH, un enseignant-chercheur de l’École Polytechnique, qui nous a accueilli cinq après-midi afin de nous expliquer le principe de fonctionnement de l’IRM basé sur la RMN (Résonance Magnétique Nucléaire). Par la suite nous avons eu l’opportunité de réaliser nos propres expériences.

• Séance 1

Alain nous présente une première approche théorique du phénomène de RMN. Tout d’abord il nous explique qu’une bobine parcourue par un courant électrique crée un champ magnétique proportionnel au courant, que certains matériaux dits ferromagnétiques peuvent modifier. Il illustre ce principe à l’aide d’une mini expérience : la mise sous tension d’un circuit comprenant une bobine crée un champ mesurable, qui change lorsqu’on approche un objet métallique.

Il introduit également une notion très importante : chaque noyau atomique possède un spin caractéristique. Ce spin est proportionnel à un moment magnétique et permet de sonder la matière. Lorsque les noyaux sont plongés dans un champ magnétique (par exemple celui produit par un aimant), ils se mettent à tourner selon la précession de Larmor. Une impulsion radiofréquence constitue une excitation du système et déclenche une transition entre niveaux d’énergie. Quand cette impulsion cesse, il y a relaxation longitudinale et chaque noyau produit de l’énergie. Ce signal est ensuite décodé par des techniques de transformation de Fourrier.

• Séance 2

Nous poursuivons l’approche théorique, et notamment l’acquisition et le traitement du signal nécessaires à l’obtention de l’image.
Nous abordons ainsi le principe de “séquence” RMN, un enchaînement précis d’impulsions d’excitations répété.

Alain nous montre aussi une application de la RMN qui n’est pas de l’imagerie à proprement parler, la RMN liquide, réalisée grâce à un spectromètre RMN. Celle-ci permet d’analyser des échantillons acqueux afin d’avoir des informations sur sa composition.

Spectromètre pour RMN liquide

• Séance 3

Nous réalisons des expériences à l’aide d’un appareil IRM miniature dédié aux étudiants (IRM Terranova de l’entreprise MagriTek). Pour commencer et découvrir le fonctionnement de l’appareil et du logiciel, nous faisons une première expérience sur des tubes dits “phantoms” c’est à dire de simples tubes remplis d’eau, qui permettent de “faire le blanc”.

l’IRM miniature Terra-nova

PROTOCOLE 1. Installer la machine IRM dans une pièce ne possédant dans l’idéal aucun objet métallique ou électronique afin de limiter au maximum les interférences et ainsi limiter “le bruit” (c’est-à-dire un signal parasite à l’origine d’une moins bonne qualité d’image). 2. Relier l’appareil à la console IRM qui sert d’interface entre l’appareil et le l’ordinateur, et brancher le câble d’alimentation électrique. 3. Ouvrir le logiciel Prospa, fourni par le fabricant. Dans le menu EFNMR : lancer “Monitor Noise”. Un nombre s’affiche, il s’agit du bruit. Déplacer légèrement la machine IRM & configurer les paramètres pour le réduire le plus possible (il faut rester sous les 10 μV) 4. Placer un échantillon dans la machine (ici un phantom 4 tubes, c’est à dire un grand tube avec à l’intérieur 4 tubes remplis d’eau). 5. Toujours dans le menu EFNMR, lancer “Pulse & Collect”. Regarder si il y a un signal. 6. Lancer un “Spin Echo”. Il s’agit en fait d’une IRM 1D. Pour l’améliorer, il faut faire varier les paramètres afin d’optimiser le basculement à 90° : on peut modifier la durée du pulse (pulse duration) ou la fréquence des pulse (B1 freq.). 7. Lancer un “Spin Echo Imaging”. Choisir le type d’IRM (2D ou 3D), la coupe voulue (ici YZ) et la qualité de l’image (le nombre de points sur chaque axe).

Voici le signal obtenu lors de nos expériences

Notre image 2D obtenue : Coupe dans le plan YZ d’un “phantom”
On distingue les 4 tubes. Le plan de coupe n’est pas tout à fait “droit” par rapport à l’objet, ce qui explique que l’on ne voie pas des cercles parfaits. En effet Z n’est pas tout à fait perpendiculaire au champ.

Pendant cette séance, un souffleur de verre (meilleur ouvrier de France) nous a montré son travail. Il a accepté de nous fabriquer une verrerie sur-mesure pour nos expériences. Notre sujet étant le cerveau, nous avons eu l’idée de faire un objet en forme de cerveau qu’il serait possible de remplir de liquide, comportant une cavité indépendante à l’intérieur (qui pourrait modéliser une anomalie comme par exemple une tumeur). Nous avons discuté avec lui des dimensions et des caractéristiques de l’objet.

 

• Séance 4

Nous récupérons le cerveau en verre, et pendant que nous relançons une manip sur des phantoms pour paramétrer l’appareil nous remplissons d’eau la cavité principale de l’objet.

Malheureusement, à cause des aléas techniques et du manque de temps, nous n’arrivons pas à obtenir d’image correcte sur les tubes “phantoms”. Ainsi nous lançons une acquisition sur le cerveau malgré un signal insatisfaisant.

 

• Séance 5

Nous apprenons que l’acquisition lancée à la dernière séance n’avait n’avait pas donné d’images exploitables. Comme nous manquons de temps, Alain a déjà réalisé les réglages de base et fait les tests sur des “phantoms” quand nous arrivons. Nous pouvons ainsi directement lancer une manip sur le cerveau. Cette fois nous testons d’autres séquences dont notamment l’écho de gradient (le protocole reste similaire à la différence que l’acquisition est plus rapide) afin de réaliser une IRM 3D. Nous obtenons une image sur laquelle on peut distinguer les contours du “cerveau”. Cependant nous nous heurtons aux limites expérimentales liées aux conditions (l’environnement n’est pas optimal dans notre petite salle de TP , où les interférences sont omniprésentes), aux possibilités de l’appareil, qui a ses limites en terme de qualité d’image, et surtout au temps dont nous disposons : une acquisition est longue (allant de 10 minutes pour une 2D de faible résolution à plusieurs heures pour une 3D).

Diagnostiquer une pathologie

Nous sommes allées a la clinique Ambroise Paré où nous avons rencontré un médecin radiologue. Dans la salle des consoles, ce spécialiste nous a montré plusieurs images d’IRM anatomique préalablement effectuées et nous a expliqué quelques diagnostics. Nous avons vu se dérouler une IRM cérébrale complète.

Ainsi on a pu comprendre qu’en IRM, des images avec un très bon contraste entre les tissus peuvent suffire pour l’interprétation. Pour compléter son diagnostic, il arrive néanmoins que le radiologue ait besoin d’images avec injection de produit de contraste qui vont permettre de diagnostiquer des pathologies multiples en circulant dans le cerveau et en accélérant la relaxation des protons d’hydrogène, ce qui est traduit par un contraste de couleur sur l’image, en échelle de gris. Ainsi, grâce à la comparaison des pondérations T1 et T2 ainsi que d’autres types de séquences, les radiologues peuvent diagnostiquer et différencier de multiples pathologies.
Cette technique se sert de trois plans de référence qui permettent l’observation sous tous les angles :
• le plan coronal qui divise le corps en 2 parties : l’une ventrale et l’autre dorsale,
• le plan axial ou transversal qui divise aussi en deux parties : l’une supérieure et l’autre inférieure
• le plan sagittal qui divise en 2 parties : la droite et la gauche.

Les plans de référence

• L’exemple de l’abcès cérébral

Un abcès cérébral est un amas de pus situé à l’intérieur du cerveau. Le patient sera alors traité avec des antibiotiques et il sera suivi régulièrement par des médecins à l’aide d’IRM.
Sur cette IRM, on peut voir un cerveau en coupe axiale en pondération T2.

On remarque une tâche blanche bien distincte ( qui paraît comme une masse) situé à gauche du cerveau. On parle d’hypersignal bien limité. Cela correspond à l’abcès cérébral qui est alors nettement détéctable à l’image.

La prise en charge des patients

Dans une clinique ou un hôpital, les patients sont pris en charge par un manipulateur en électroradiologie médicale (M.E.R). Ce dernier pratique l’IRM avec un médecin spécialiste en radiologie.

Une fois arrivé au lieu de l’examen, le patient doit revêtir une blouse. Il est obligatoire d’enlever toute pièce métallique (montre, bijou…).

Afin de se préparer à l’examen, le patient n’a pas de consignes particulières. En effet, il n’est pas nécessaire d’être à jeun pour effectuer une IRM. Cependant, de nombreuses contre-indications existent :
• si la patiente est enceinte, elle doit prévenir le manipulateur pour qu’il puisse définir si l’examen doit être fait ou non
• si un patient est porteur d’implants métalliques de type pacemaker, prothèse, broche, clip chirurgical… l’IRM n’est pas réalisable, car le champ magnétique peut dérégler le pacemaker ou provoquer un échauffement et des brûlures internes s’il y a présence de métal
• enfin, étant donnée l’étroitesse du conduit, les patients atteints de grave obésité et les patients claustrophobes ne peuvent pas subir cet examen (à moins pour les derniers d’être sous traitement tranquillisant).

L’examen n’est pas douloureux, cependant il reste désagréable : l’appareil est très bruyant (jusqu’à 100 dB, ce qui correspond au bruit d’un marteau piqueur à quelques mètres) et le patient ne doit pas bouger pendant toute la durée de l’examen, soit entre 15 et 45 minutes environ.

 

Le manipulateur entend et voit le patient grâce à un système de micros et de caméras, ils peuvent donc communiquer en cas de besoin.

L’appareil IRM standard

Nous allons maintenant voir comment est constitué un appareil IRM clinique. En effet, de nombreux éléments le composent, imbriqués les uns dans les autres.

Schéma des éléments principaux qui composent l’appareil IRM

• On a d’abord la bobine de polarisation. Il s’agit d’un aimant supraconducteur de forme solénoïde, c’est à dire un un fil électrique enroulé régulièrement en hélice de façon à former une bobine longue, ce qui lui confère des propriétés intéressantes, et principalement de générer un champ magnétique lorsqu’il est traversé par l’électricité. C’est lui qui génère le champ magnétique principal, de l’ordre de 30.000 fois le champ terrestre pour les IRM cliniques standard, soit 1,5 Tesla (pouvant aller jusqu’à 7T et bientôt 11,7T pour la recherche). Cependant pour qu’il fonctionne bien il est nécessaire d’employer un système de refroidissement à l’hélium liquide (Cryostat)

• On trouve ensuite à l’intérieur de cette bobine les bobines de gradient, qui fonctionnent sur le même principe mais génèrent des champs beaucoup plus faibles. Il y en a 3, une pour chaque direction, X, Y et Z. Elles permettent de coder l’information dans l’espace.

• Enfin imbriquée à l’intérieur se trouvent la ou les antennes. En effet il existe deux types d’antennes : volumiques ou surfaciques. Les premières peuvent à la fois générer l’onde RF et recevoir le signal obtenu. Les secondes en revanche ne sont que réceptrices. C’est pourquoi il existe une antenne corps qui englobe tout le patient et génère l’onde RF si nécessaire. Pour le cerveau, on utilise des antennes volumiques qui permettent une plus grande précision.

Antenne volumique, réceptrice et émettrice

Antenne surfacique, réceptrice uniquement

 

 

 

 

 

 

Afin de préserver la qualité des clichés, il est nécessaire que la machine soit installée dans une cage de Faraday. C’est une enceinte blindée, généralement en cuivre. Sa fonction est de protéger l’aimant de toute perturbation radiofréquence et électromagnétique, ces ondes pouvant dégrader notablement le bon fonctionnement de l’IRM et donc la qualité des images. Cette cage est totalement fermée, même les portes et la baie de vision en font partie.

Selon la configuration du site et la machine IRM, un blindage magnétique peut également s’avérer nécessaire, cette fois pour comprimer une ou plusieurs lignes de champ magnétique émis par l’aimant. Elles sont contenues dans un espace voulu évitant ainsi la perturbation des services environnant l’IRM (salle de radiologie, scanner, laboratoire…) tout en garantissant la sécurité des personnes (portant pacemaker, prothèse). Le blindage magnétique est constitué de tôles d’alliages métalliques acier dont la composition est spécifique. Il est positionné selon les contraintes du site : plafond, murs, sol… Dans ce cas il s’agit d’un blindage passif.

En dehors de cet espace se trouve la salle de contrôle, comprenant la console et les ordinateurs permettant d’interpréter le signal grâce aux logiciels adaptés, fournis par le fabricant de la machine IRM. En général deux personnes s’y trouvent : un manipulateur (M.E.R.) et un médecin radiologue. Le premier s’occupe de rassurer le patient, de paramétrer ; le second exploite les images obtenues pour poser le diagnostic.

Pour des raisons de sécurité, il existe une ligne appelée ligne des 5 Gauss, matérialisée au sol. Il s’agit de la distance à partir de laquelle il est dangereux de s’approcher si l’on porte du métal (prothèse, broche, pacemaker, montre, téléphone…). De nombreux progrès ont été réalisés ces dernières années en matière de blindage, avec des technologies de blindage actif (c’est à dire un système générant des champs magnétiques compensateurs) à l’intérieur de l’appareil, ce qui fait que cette ligne des 5 Gauss se trouve de plus en plus près de la machine sur les modèles récents.

L’obtention d’une image

Dans cette partie nous allons nous intéresser à comment il est possible d’obtenir une image à partir des signaux et des mesures RMN brutes captées.

L’acquisition d’images est basée sur différentes « séquences » IRM définies afin d’augmenter le contraste selon les tissus observés et la vitesse d’acquisition. Chaque séquence est une combinaison d’impulsions radiofréquence et de gradients de champs magnétiques. Nous n’entrerons pas dans le détail des séquences car il en existe une centaine.

Nous allons nous intéresser à l’écho de spin, qui est la séquence de base. Cette séquence est constituée par l’enchaînement suivant :
• impulsion de 90° RF dans le plan perpendiculaire au champ B0 pour basculer l’aimantation dans ce plan
• temps de précession TE/2
• impulsion de 180° dans le plan perpendiculaire à B0 et perpendiculaire à la direction issue de l’impulsion initiale pour retourner les spins dans le plan horizontal
• précession durant le temps TE/2
• lecture

La séquence de base SpinEcho

Après basculement, chaque spin précesse autour de B0 et subit des déphasages à cause des interactions et des inhomogéneités du champ. La moyenne conduit à une disparition de l’aimantation transverse avec un temps caractéristique T2*. Lorsqu’on retourne les spins par un pulse de 180°, ceux qui précessaient le plus vite se retrouvent en arrière et vice versa. Au bout d’un temps TE/2, tous se rattrapent tels des coureurs qui, rebroussant chemin, se rejoignent sur la ligne de départ : il y a rephasage. Au total, l’aimantation transverse décroît avec un temps T2 typique des tissus observés.

Animation montrant les enchaînements d’impulsions et la compensation des déphasages, dans la sphère de Bloch

Au bout d’un temps de répétition TR après le pulse de 90°, l’aimantation transverse a décru et les spins ont relaxé pour commencer à se réaligner selon B0 avec le temps T1, qui dépend lui aussi des tissus observés. Plus TR est grand devant T1, plus la « repousse » de l’aimantation longitudinale est importante. La variation de l’image avec TR va fournir une image « pondérée en T1« .
La séquence de spin écho T2 est une séquence dans laquelle TR est long : la repousse de l’aimantation est quasi-totale, minimisant l’effet de T1. En effectuant l’observation à un TE assez long, on visualise l’effet de T2 : les tissus à T2 long vont apparaître en hypersignal, c’est-à-dire en foncé, alors que les tissus à T2 court apparaîtront en hyposignal, c’est à dire en clair : l’image sera « pondérée en T2« .

Coupe axiale d’un cerveau humain avec 3 pondérations différentes. De gauche à droite : pondération T1, pondération T2 avec produit de contraste et pondération T2 sans produit de contraste.

Une mesure fournit de l’information selon une direction donnée de sorte que la répétition des séquences à intervalles de temps TR est indispensable à l’acquisition d’une image.

L’espace est « pixellisé » en 3D

Pour construire une image on « pixellise » le volume en le subdivisant en petits cubes appelés voxels pour « volumetric pixels ». Plus les voxel sont petits, plus la résolution de l’image est élevée mais plus le signal est faible. Pour coder le voxel dans les trois directions de l’espace on utilise des gradients de champ dont l’intensité code l’espace en fréquence, selon les trois dimensions x, y et z. En IRM, les gradients utilisés sont de petits champs magnétiques produits par des électro-aimants situés à l’intérieur de l’aimant principal.

Chaque impulsion contient de l’information sur l’ensemble du système mais en pratique, on est obligé de traiter un nombre limité de voxels, ce qui peut donner lieu à des artefacts (imperfections sur l’image finale) dits de troncature.

Le signal reçu par l’antenne est constitué de données brutes qui remplissent « l’espace réciproque » et qui doivent être décodées par des techniques mathématiques de transformation de Fourier. Le temps d’acquisition est le temps de répétition TR que multiplie le nombre de mesures sur les 3 axes.

La Résonance Magnétique Nucléaire (RMN)

L’IRM est une application de la Résonance Magnétique Nucléaire, phénomène physique découvert en 1938 par Rabi. Bloch et Purcell réalisent en 1946 les premières mesures du magnétisme nucléaire. Pour aborder ces notions complexes, nous avons pris contact avec un enseignant-chercheur spécialiste du domaine, et nous avons travaillé avec lui, sur une étude théorique, puis pratique, en manipulant des appareils RMN et IRM miniatures dédiés aux étudiants [en savoir plus].

Paul Lauterbur

Peter Mansfield

 

 

 

 

 

Pour comprendre le principe de RMN, il faut descendre à l’échelle de l’atome. Plus spécifiquement nous considérons l’atome d’hydrogène, qui est abondant dans le corps humain.

Le noyau atomique, un proton pour l’hydrogène, possède un moment cinétique intrinsèque ou spin qui est proportionnel à un moment magnétique, c’est à dire équivalent à une petite aiguille aimantée. Nous savons que l’axe de rotation d’une toupie ne reste pas vertical mais décrit une trajectoire plus ou moins circulaire autour de la verticale : c’est le mouvement de précession. De même, un spin soumis à un champ magnétique BO précesse autour de celui-ci à la fréquence de Larmor qui vaut 42 MHz par Tesla pour le proton. Le spin est souvent représenté comme un vecteur de longueur donnée dont l’extrêmité évolue sur une sphère (sphère de Bloch)

Le proton est comparable à une toupie

Il semble tourner sur lui-même, autrement dit il possède un moment magnétique ou spin

De plus le spin précesse autour du champ B0 à la fréquence de Larmor

La sphère de Bloch

 

 

 

 

 

 

 

 

L’état d’énergie minimum correspond à un alignement du spin parallèle à BO : l’aiguille de la boussole s’aligne sur le champ magnétique de la terre et les moments magnétiques s’alignent préférentiellement sur le champ pour être dans l’état d’énergie minimum, c’est le paramagnétisme nucléaire. Pour cela, ils doivent dissiper de l’énergie.

Le principe de paramagnétisme nucléaire

L’alignement se fait en un temps caractéristique T1, temps de relaxation longitudinal résultant de l’interaction avec le matériau : l’énergie dissipée va chauffer la matière. Ce processus est irréversible. La relaxation provient de l’interaction des spins avec leur environnement.

Supposons que le spin d’un proton précesse à la fréquence de Larmor et qu’un champ tournant à la même fréquence, perpendiculaire à B0, soit appliqué. Alors, dans le référentiel tournant avec le spin – on est sur le même manège, le spin « voit » un champ fixe autour duquel il va précesser, pouvant se retourner comme le fait la toupie tippe top. Dans ce processus, le système absorbe de l’énergie de l’onde hyperfréquence. Dans une impulsion de 90°, le spin bascule dans le plan horizontal, créant une aimantation transverse.

Si l’on considère une assemblée de spins, chacun va évoluer dans un environnement différent et leurs phases respectives vont changer puisque certains tournent plus vite que d’autres. Les déphasages vont réduire l’aimantation transverse jusqu’à l’annuler, avec un temps de relaxation T2*. Cette relaxation est non dissipative : l’énergie est conservée et c’est pourquoi la relaxation peut être partiellement éliminée en « renversant le sens du temps » par la technique d’écho de spin, sur laquelle nous reviendrons. Durant la relaxation transverse, les spins tendent aussi à se réaligner sur le champ B0 : c’est la « repousse » de l’aimantation. La trajectoire de l’aimantation n’est plus sur une sphère mais se réaligne le long de B0 en décrivant une spirale.

Les temps de relaxation T1 et T2 contiennent de l’information sur la nature du matériau. Ce sont eux qui permettent d’obtenir une image en attribuant à chaque point une échelle de gris (voir obtention d’une image).

[La relaxation transverse & longitudinale est l’aspect le plus difficile à comprendre de la RMN. Il est normal qu’à la première lecture cela vous paraisse difficile (cet exposé s’adressait à des professeurs). En résumé : on excite les protons à l’aide d’une onde radiofréquence ; ils basculent à 90° puis retournent à leur état initial d’une certaine façon avec un temps caractéristique, c’est ce qui permet d’obtenir des informations sur le matériau.]

Comment détecter l’aimantation locale ? La variation au cours du temps du flux magnétique à travers un circuit ouvert produit une tension à ses bornes : c’est le principe de la dynamo de vélo dans laquelle la roue entraîne la rotation d’un circuit électrique dans le champ d’un aimant, ce qui permet finalement d’alimenter le phare. Ici, la précession de l’aimantation transverse produite à la résonance induit un flux dans une bobine de détection et donc une tension à ses bornes, d’autant plus forte qu’il y a davantage de protons ou que ceux-ci précessent plus vite.